生物氧化與新陳代謝

1、第五章第五章 新陳代謝總論與生物氧化新陳代謝總論與生物氧化第一第一 節(jié)、節(jié)、 新陳代謝總論新陳代謝總論第二節(jié)第二節(jié) 、 生物氧化生物氧化第一節(jié)第一節(jié) 新陳代謝總論新陳代謝總論一一 新陳代謝的概念新陳代謝的概念新陳代謝新陳代謝 合成代謝合成代謝（同化作用）（同化作用） 分解代謝分解代謝（異化作用）（異化作用）生物小分子合成為生物小分子合成為生物大分子生物大分子需要能量需要能量釋放能量釋放能量生物大分子分解為生物大分子分解為生物小分子生物小分子能量能量代謝代謝物質(zhì)代謝物質(zhì)代謝二、新陳代謝的共同特點：二、新陳代謝的共同特點：1. 由酶催化，反應(yīng)條件溫和。由酶催化，反應(yīng)條件溫和。2. 諸多反應(yīng)有嚴格的

2、順序，彼此協(xié)調(diào)。諸多反應(yīng)有嚴格的順序，彼此協(xié)調(diào)。3. 對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。三三 、 新陳代謝的調(diào)節(jié)新陳代謝的調(diào)節(jié) 三個水平調(diào)節(jié)：三個水平調(diào)節(jié)：分子水平分子水平-酶濃度和數(shù)量的調(diào)節(jié)酶濃度和數(shù)量的調(diào)節(jié) （包括基因水平上的調(diào)節(jié)）（包括基因水平上的調(diào)節(jié)）細胞水平細胞水平-細胞區(qū)域化調(diào)節(jié)細胞區(qū)域化調(diào)節(jié)整體水平整體水平-激素和神經(jīng)的調(diào)節(jié)激素和神經(jīng)的調(diào)節(jié)四、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律四、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律自由能：生物體（或恒溫恒壓）用以作功的能量。在沒有自由能：生物體（或恒溫恒壓）用以作功的能量。在沒有作功條件時，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?。作功條件時，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?。熵：混亂度

3、或無序性，是一種無用的能。熵：混亂度或無序性，是一種無用的能。G = H - TS對于對于 A +B C +DG= -2.303RTlgK K=CD/AB 生物體中生物體中 T2 =T1 所以熱不能作功，能作功的能量是自由能。所以熱不能作功，能作功的能量是自由能。通常人們可以把能量分為兩種。一種是熱能，熱能做功只能引起溫度和壓力的變通常人們可以把能量分為兩種。一種是熱能，熱能做功只能引起溫度和壓力的變化；另一種是自由能可在恒溫恒壓下做功。自由能公式為：化；另一種是自由能可在恒溫恒壓下做功。自由能公式為： G HT SG在恒溫、恒壓下，體系發(fā)生變化時的自由能變化在恒溫、恒壓下，體系發(fā)生變化時的自

4、由能變化H體系焓的變化；體系焓的變化；T體系的絕對溫度；體系的絕對溫度； S-體系的墑變。體系的墑變。 生物能學(xué)生物能學(xué) (Bioenergetics) 生物能的性質(zhì)生物能的性質(zhì)1. 自由能的概念自由能的概念：熱機作功公式為：熱機作功公式為： W = QT2 T1T2 W W：所做的功：所做的功 Q Q：吸收的熱量吸收的熱量 T T1 1：作功前溫度作功前溫度 T T2 2：作功后溫度作功后溫度自由能可以簡單的看成是用于做功的能量自由能可以簡單的看成是用于做功的能量在熱力學(xué)中對自由能有嚴格的定義，在熱力學(xué)中對自由能有嚴格的定義，在生化中在生化中，生物體用以做功的能量正是，生物體用以做功的能量正

5、是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，或者說，在生物體內(nèi)體現(xiàn)自由能變化是一個能體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，或者說，在生物體內(nèi)體現(xiàn)自由能變化是一個能量逐步濃縮的過程：量逐步濃縮的過程： 光能光能ATP 碳水化合物碳水化合物這個過程用最簡潔的熱力學(xué)語言描述為：這個過程用最簡潔的熱力學(xué)語言描述為： “自由能不斷增加，熵值不斷減小自由能不斷增加，熵值不斷減小的過程的過程”。2、什么是生物能、什么是生物能 生物能主要是指生物分子的化學(xué)能，也包括一些形式的物生物能主要是指生物分子的化學(xué)能，也包括一些形式的物理能如：動能、電能、輻射能、熱能等。理能如：動能、電能、輻射能、熱能等。生命活動中的能量形式同自然界能量形式一樣

6、，同樣遵循熱力學(xué)第一定律生命活動中的能量形式同自然界能量形式一樣，同樣遵循熱力學(xué)第一定律 即即一種能量形式的產(chǎn)生，必然有另一種能量消失。一種能量形式的產(chǎn)生，必然有另一種能量消失。 3. 生物能的性質(zhì)生物能的性質(zhì) 1) 生物能的來源；生物能的來源； 例如例如 光合碳素循環(huán)作用（植物的能量生成光合碳素循環(huán)作用（植物的能量生成 光能電能活躍化學(xué)能穩(wěn)定化學(xué)能光能電能活躍化學(xué)能穩(wěn)定化學(xué)能 （ATP、NADPH (碳水化合物碳水化合物) 活躍化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定化學(xué)能的過程：活躍化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定化學(xué)能的過程： CO2NADPH(ATP)CH2O2) 標準生成自由能標準生成自由能 標準生成自由能標準生成自由能-

7、在標準狀態(tài)下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成在標準狀態(tài)下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成1摩爾純化摩爾純化合物的合物的G 就等于該化合物的就等于該化合物的 標準自由能生成。見表標準自由能生成。見表20-2 3) 偶聯(lián)反應(yīng)自由能變化的可加性及其意義偶聯(lián)反應(yīng)自由能變化的可加性及其意義 例例 兩個相偶聯(lián)的反應(yīng)：兩個相偶聯(lián)的反應(yīng)： A-B+C G = + 5kcal / mol (+20.92 kj / mol) B-D G = - 8 kcal / mol (-33.47 kj / mol) A-C + D G = - 3 kcal /mol (- 12,55 kj / mol) 偶聯(lián)反應(yīng)的自由能是可以加和的偶聯(lián)反應(yīng)的自由能是可以

8、加和的 加和的結(jié)果是加和的結(jié)果是A生成生成C和和D的反應(yīng)可以自發(fā)進行。的反應(yīng)可以自發(fā)進行。一個熱力學(xué)上不利的反應(yīng)一個熱力學(xué)上不利的反應(yīng), 可以由熱力學(xué)上有利的反應(yīng)所驅(qū)動?？梢杂蔁崃W(xué)上有利的反應(yīng)所驅(qū)動。 4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)的一些規(guī)定、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)的一些規(guī)定 1) 自由能自由能: 物理化學(xué)中的標準自由能（物理化學(xué)中的標準自由能（G ）為）為25、一個大氣壓，參與反應(yīng)的物質(zhì)均、一個大氣壓，參與反應(yīng)的物質(zhì)均為為1 1個個molmol時能量的變化。但是在生物體系中，其氧化還原反應(yīng)經(jīng)常有時能量的變化。但是在生物體系中，其氧化還原反應(yīng)經(jīng)常有 H+ 參加，如果按物理化學(xué)的標準自由能計算，則

9、這個標準條件的參加，如果按物理化學(xué)的標準自由能計算，則這個標準條件的pH值為值為 0 0 ，顯然，不符合生物體系反應(yīng)條件。顯然，不符合生物體系反應(yīng)條件。生物體系中，生物體系中，其標準自由能是指其標準自由能是指pH7.0時的自由能時的自由能，用，用G 表示表示 ，自由能的變化用，自由能的變化用 G 表示表示2) 氧化還原電位氧化還原電位：生物體系中為：生物體系中為 pH7.0 時的電位（時的電位（E ）3) 自由能與氧化還原電位的關(guān)系自由能與氧化還原電位的關(guān)系：G = -n FE n：轉(zhuǎn)移電子數(shù)目：轉(zhuǎn)移電子數(shù)目 F：法拉第常數(shù)：法拉第常數(shù) 96.4914kJ/mol V 概概 念念： 水解自由能

10、在水解自由能在20.92 kJ/mol （ 5千卡千卡/mol ）以上的化合物。）以上的化合物。 高能化合物中被水解的基團稱為高能化合物中被水解的基團稱為“高能基團高能基團”，被水解的鍵稱為，被水解的鍵稱為“高能鍵高能鍵”用用“”表示表示 以磷酸作為高能基團的高能化合物稱為以磷酸作為高能基團的高能化合物稱為“高能磷酸化合高能磷酸化合物” 五、五、 高能化合物高能化合物CCOOHCH2OPOHPOOHOPOHOHOPEPPPi1 磷氧鍵磷氧鍵型，其高能鍵是由磷和型，其高能鍵是由磷和氧原子構(gòu)成即氧原子構(gòu)成即“OP ”如：如：磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦）、焦磷酸（磷酸（PPi）

11、等。）等。高能化合物類型高能化合物類型：2 氮磷鍵氮磷鍵型，高能鍵是由氮和磷構(gòu)型，高能鍵是由氮和磷構(gòu)成，如磷酸肌酸成，如磷酸肌酸3 硫酯鍵硫酯鍵型型 ，高能鍵是屬于硫，高能鍵是屬于硫酯鍵，如脂酰輔酶酯鍵，如脂酰輔酶ARCOSCoANCHNCH3NHCH2COOHP磷酸化合物 G(kJ/mol) 磷酸化合物 G(kJ/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸 1,3 二磷酸甘油酸 磷酸肌酸 ATPADP + Pi -61.92 -49.37 -43.01 -30.54 ADPAMP + Pi AMP腺苷 + Pi 1磷酸葡萄糖 6磷酸葡萄糖 -30.54 -14.22 -20.92 -13.81 常見磷酸化合

12、物標準水解自由能常見磷酸化合物標準水解自由能OO HO HHHACH2OPOOPOOOOPOOOATPAMPADP ATP的結(jié)構(gòu)特性的結(jié)構(gòu)特性1 . 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)水解自由能水解自由能：每個高能鍵的水解自每個高能鍵的水解自由能為由能為 30.5kJ/mol或或7.3kcar/mol 細胞內(nèi)影響細胞內(nèi)影響ATP自由能釋放的因素自由能釋放的因素 ATP水解釋放的自由能受到許多因素的的影響水解釋放的自由能受到許多因素的的影響 , 主要包括主要包括: 1. pH 值值 2. ATP的濃度的濃度 多數(shù)細胞多數(shù)細胞ATP 、 ADP和無機磷酸的濃度大約和無機磷酸的濃度大約 在在2-10mmol /L之間之間.A

13、TP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2 + H+負電荷集中，共振雜化，負電荷集中，共振雜化，H+ 濃度濃度低低OHPOHOHOOHPOOHOHOHPOHOOHOPOHOHOH 2. 產(chǎn)生高水解自由能的原因產(chǎn)生高水解自由能的原因 ATP在能量轉(zhuǎn)換中的地位和作用在能量轉(zhuǎn)換中的地位和作用 作為能量通貨的原因作為能量通貨的原因：能量居中，可作為大多數(shù)能量轉(zhuǎn)換酶的能量供體或受體能量居中，可作為大多數(shù)能量轉(zhuǎn)換酶的能量供體或受體磷酸烯醇式丙酮酸PPPPATP甘油酸1,32P18161412108642 生物能流生物能流：化學(xué)能太陽 光能呼吸作用能量通貨損 失：熱、熵光合作用CO2+H2O 有機物

14、有機物化學(xué)能滲透能電能機械能熱能ATP 高能化合物高能化合物磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氧型磷氮型磷氮型硫酯鍵化合物硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物?；姿峄衔锝沽姿峄衔锝沽姿峄衔锪?、能量代謝與物質(zhì)代謝的關(guān)系六、能量代謝與物質(zhì)代謝的關(guān)系 異氧生物分解有機營養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)生異氧生物分解有機營養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)生ATP的三個階段：的三個階段：乙酰輔酶A三羧酸循環(huán)脂肪酸 多糖多糖蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂肪脂肪單糖甘油氨基酸草 酰 乙 酸檸 檬 酸順 烏 頭 酸異 檸 檬 酸草 酰 琥 珀 酸-酮 戊 二 酸琥 珀 酰 CoA琥 珀 酸延 胡 索

15、酸蘋 果 酸乙 酰 CoA丙 酮 酸第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段乙酰輔酶A生物氧化的方式及特點生物氧化的方式及特點一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 有機物在生物體內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放和貯存能量的過程有機物在生物體內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放和貯存能量的過程如如 葡萄糖葡萄糖 6 CO2 + 6 H2O + 能量能量 （2870.22 kJ/mol） 碳成為二氧化碳，氫成為水，能量以熱的形式釋放或貯存于碳成為二氧化碳，氫成為水，能量以熱的形式釋放或貯存于ATP二、生物氧化的方式二、生物氧化的方式 1 加氧氧化加氧氧化RROH1/2O2第二節(jié)第二節(jié) 生物氧化與氧

16、化磷酸化生物氧化與氧化磷酸化(Biological oxidation and oxidative phosparylation) 2 脫氫氧化脫氫氧化 加水脫氫加水脫氫:RCHO+H2ORCHOHOHRCOHO+2H+2e-Fe2+ Fe3+ e（3）脫電子脫電子：HOOC-CH2-CH2-COOH HOOC-CH=CH-COOH+2H+2 e 琥珀酸琥珀酸脫氫酶琥珀酸琥珀酸脫氫酶 延胡索酸延胡索酸直接脫氫直接脫氫：三、生物氧化的特點三、生物氧化的特點：生物氧化是生物體在熱力學(xué)允許的條件下的有序、可控的氧化過程，因生物氧化是生物體在熱力學(xué)允許的條件下的有序、可控的氧化過程，因為生物氧化的場所

17、是細胞，其基本過程是大分子分解為為生物氧化的場所是細胞，其基本過程是大分子分解為CO2和和H2O，并產(chǎn)，并產(chǎn)生能量。生物氧化又稱細胞呼吸生能量。生物氧化又稱細胞呼吸（cellular respiration) 1) 逐步氧化，有序可控；逐步氧化，有序可控； 2) 條件溫和，多步酶促反應(yīng)條件溫和，多步酶促反應(yīng); 3) 能量逐步釋放并以能量逐步釋放并以ATP的方式貯存。的方式貯存。 4） 分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。 思考題：思考題：線粒體氧化體系是線粒體氧化體系是ATP生成和徹底氧化的主要途徑？生成和徹底氧化的主要途徑？什么是電子傳遞呼吸鏈？遞體的

18、組成有哪些？什么是電子傳遞呼吸鏈？遞體的組成有哪些？物質(zhì)代謝時氧化和磷酸化是如何偶聯(lián)的？物質(zhì)代謝時氧化和磷酸化是如何偶聯(lián)的？四、四、CO2生成方式生成方式 R-CH(NH2)-COOH RCH2-NH2+ CO2 氨基酸 氨基酸脫羧酶 胺 CH3CCOOHOCH3CHO + CO2丙酮酸脫羧酶（-脫羧）生物體內(nèi)生物體內(nèi)CO2的生成來源于有機物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔玫纳蓙碓从谟袡C物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔茫?） 直接脫羧直接脫羧（2）氧化脫羧）氧化脫羧:CHCOOHOHCH2COOH+NADP+CCOOHCH3O+CO2+NADPH+H+蘋果酸 丙酮酸蘋果酸酶CHCOOHOHCH2C

19、OOH+NADP+CCOOHCH3O+CO2+NADPH+H+蘋果酸 丙酮酸蘋果酸酶HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH + CO2NADP+NADPH + H+OAH2AH2O1/2O2酶 一酶體系一酶體系H2O1/2O2AH2A酶1酶2酶3酶n多酶體系多酶體系五、五、H2O的生成方式的生成方式 H2O的生成的生成代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(jié)合生成水。代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(jié)合生成水。生物體主要以脫氫酶、生物體主要以脫氫酶、傳遞體傳遞體及氧化酶組成生物氧化體系，以促進水及氧化酶組成生物氧化體系，以促進水的生成的生成。MH2M遞氫體遞氫體遞氫體遞氫體H H

20、2 2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ還原型還原型氧化型氧化型Cyt遞電子體遞電子體 b, c1, c, aa32H+2e O2O2-H2O脫氫酶脫氫酶氧化酶氧化酶六、氧化酶類六、氧化酶類 1.電子轉(zhuǎn)移酶電子轉(zhuǎn)移酶 如：細胞色素類，如：細胞色素類，這是一類催化氧化還原反應(yīng)的酶，這是一類催化氧化還原反應(yīng)的酶，其輔基是血紅素，作用部位是血紅其輔基是血紅素，作用部位是血紅素中的鐵離子，接受電子和釋放電素中的鐵離子，接受電子和釋放電子催化反應(yīng)子催化反應(yīng)Fe3+Fe2+S1P1S2P22. 氧化酶氧化酶： （1）一般氧化酶一般氧化酶：單獨使底物脫：單獨使底物脫氫，并把氫交給氧的酶類氫，并把

21、氫交給氧的酶類，如一酶體系中的多酚氧化酶。Cu2+Cu+OHOHOO1/2O2H2O22（3）末端氧化酶）末端氧化酶：處于一系列氧化還原酶末端，直接將遞體的電子交給氧生：處于一系列氧化還原酶末端，直接將遞體的電子交給氧生成水的酶，如上述多酶體系中的最后一個酶成水的酶，如上述多酶體系中的最后一個酶（2）黃素氧化酶：）黃素氧化酶：接受底物的氫，接受底物的氫，并把它交給氧分子而生成過氧化氫并把它交給氧分子而生成過氧化氫的酶。輔基通常是的酶。輔基通常是FAD。如黃嘌呤。如黃嘌呤氧化酶氧化酶3. 脫氫酶脫氫酶：催化底物脫氫，脫下的：催化底物脫氫，脫下的氫交給遞氫體的酶。輔基通常氫交給遞氫體的酶。輔基通常

22、FAD或或FMN。如：琥珀酸脫氫酶：如：琥珀酸脫氫酶：O2H2O2FADFADH2黃 嘌呤尿酸4. 加氧酶加氧酶：加雙氧酶和加：加雙氧酶和加單氧酶單氧酶QH2FADFADH2琥珀酸延 胡 索酸QRROH1/2O2一、一、電子傳遞呼吸鏈電子傳遞呼吸鏈 指線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞系統(tǒng)，即電子從指線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞系統(tǒng)，即電子從NADH到到O2的傳遞經(jīng)過的途徑的傳遞經(jīng)過的途徑 類類 別：別： NADH呼吸鏈呼吸鏈：NADH脫氫酶、脫氫酶、Fe-S蛋白、蛋白、CoQ、Cyt b、 Cyt c1、 Cyt c、 Cyta.a3 FADH2呼吸鏈呼吸鏈：琥珀酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、Fe-S蛋白、蛋白、C

23、oQ、Cyt b、 Cyt c1 、Cytc 、Cyta.a3 呼吸鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成分為四部分：呼吸鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成分為四部分： NADHQ還原酶；還原酶； 琥珀酸琥珀酸Q還原酶；還原酶； 細胞色素還原酶；細胞色素還原酶； 細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶 電子傳遞和氧化呼吸鏈電子傳遞和氧化呼吸鏈 NADNADHQ還原酶還原酶Q細胞色素還原酶細胞色素還原酶細胞色素細胞色素C細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶 O2 琥珀酸琥珀酸Q還原酶還原酶 黃素蛋白中的黃素蛋白中的FADH2 二、組成呼吸鏈的成員二、組成呼吸鏈的成員2. 琥珀酸琥珀酸Q還原酶還原酶（復(fù)合酶（復(fù)合酶II）：）：與鐵硫蛋白形

24、成復(fù)合體，是膜內(nèi)側(cè)與鐵硫蛋白形成復(fù)合體，是膜內(nèi)側(cè)的一個嵌入蛋白，活性中心在膜的的一個嵌入蛋白，活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可催化琥珀酸氧化為延胡索內(nèi)側(cè)，可催化琥珀酸氧化為延胡索酸，無質(zhì)子泵功能。酸，無質(zhì)子泵功能。1. NADH脫氫酶（脫氫酶（復(fù)合酶復(fù)合酶I：輔：輔基為基為FMN，是一個跨膜蛋白，是一個跨膜蛋白，其活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可催化其活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可催化NADH脫氫，并具有質(zhì)子泵功能，脫氫，并具有質(zhì)子泵功能，其與鐵其與鐵-硫蛋白形成復(fù)合體硫蛋白形成復(fù)合體FMNFMNH2NAD+NADH+H+2e2H+內(nèi)膜外內(nèi)FADFADH22e2H+琥珀酸延 胡 索酸內(nèi)膜外內(nèi)3. CoQ：是醌式化合物，是

25、醌式化合物，可接受一對質(zhì)子和一對電子，是呼吸鏈上唯可接受一對質(zhì)子和一對電子，是呼吸鏈上唯一的有機分子，在膜中比較自由。其反應(yīng)如下一的有機分子，在膜中比較自由。其反應(yīng)如下：OORRRR2 H+2 e-O HO HRRRR+ +（1）Cytb：Cytb是膜的是膜的嵌入蛋白嵌入蛋白，可，可接受接受CoQ的電子，且具有質(zhì)子泵功能的電子，且具有質(zhì)子泵功能（2）Cytc1:膜的膜的嵌入蛋白嵌入蛋白，與，與Cytb組成組成一個復(fù)合體，它可接受一個復(fù)合體，它可接受b的電子，并把的電子，并把它傳給它傳給Cytc 4. 細胞色素還原酶細胞色素還原酶 （復(fù)合酶復(fù)合酶III） 所有的細胞色素類都是蛋白質(zhì)，所有的細胞色

26、素類都是蛋白質(zhì)，都含有輔基都含有輔基血紅素，如血紅素，如Cytc的的輔基與蛋白質(zhì)的結(jié)合。輔基與蛋白質(zhì)的結(jié)合。Fe2+ Fe3+eNMCHCH3SNPMNMCHCH3SFeNMPCysCysHisMetSCH3N其中的鐵離子可接受電子和釋放電子其中的鐵離子可接受電子和釋放電子QH2QCyt bCyt c12e-2H+內(nèi)膜外內(nèi)5 .細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶 （復(fù)合酶（復(fù)合酶IV）主要催化細胞色素主要催化細胞色素C到細胞色素到細胞色素aa3 的的電子傳遞：電子傳遞： aa3是兩個細胞色素的復(fù)合是兩個細胞色素的復(fù)合體，是一個體，是一個跨膜蛋白跨膜蛋白，含有，含有Cu離子。在離子。在膜的外部，膜的外

27、部，Cyta接受接受Cytc的電子，經(jīng)過的電子，經(jīng)過Cu傳給傳給a3 ，a3 的活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，的活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可以將其電子直接傳給氧分子而生成水?？梢詫⑵潆娮又苯觽鹘o氧分子而生成水。該復(fù)合體也有質(zhì)子泵功能。該復(fù)合體也有質(zhì)子泵功能。 該復(fù)合體又稱呼吸鏈末端氧化酶。該復(fù)合體又稱呼吸鏈末端氧化酶。（3）Cytc：是膜上：是膜上唯一的外周蛋白唯一的外周蛋白，處，處于膜的外側(cè)，可接受于膜的外側(cè)，可接受Cytc1的電子，并傳給的電子，并傳給Cyta a3。Cytc2e-內(nèi)膜外內(nèi)aa31/2O2 + 2H+H2O2e-2H+內(nèi)膜外內(nèi)NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2-0.32

28、0.30 00.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816 琥珀酸 FAD CoQ b c1 c aa3 O2 +0.06三、三、工作機理工作機理： 1. 呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位：NADH + H+NAD+FMNFMNH2NADH脫氫 酶12O2O2-+2H+H2OFe3+Fe2+Fe S22QQH2CoQFe3+Fe2+Cyt b22Fe3+Fe2+Cytc122Fe3+Fe2+Cyt c22Fe3+Fe2+Cyta.a322琥珀酸延胡索酸FADFADH2琥珀酸脫氫酶Fe3+Fe2+Fe S222. 工作機理工作機理： 復(fù)合酶I

29、II復(fù)合酶I復(fù)合酶IV復(fù)合酶II內(nèi)外IIIIIIIVc內(nèi)膜QNADH琥珀酸1/2O2四、四、存在狀態(tài)存在狀態(tài) 四個復(fù)合體四個復(fù)合體： 復(fù)合體復(fù)合體I： NADH脫氫酶、鐵硫蛋白脫氫酶、鐵硫蛋白 復(fù)合體復(fù)合體II： 琥珀酸脫氫酶、鐵硫蛋白琥珀酸脫氫酶、鐵硫蛋白 復(fù)合體復(fù)合體III： 細胞色素細胞色素b、c1 復(fù)合體復(fù)合體IV： 細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶 IIIIIIIVcQ內(nèi)膜內(nèi)外外膜FP2FP3FP4b5 NADHFP2（內(nèi)膜內(nèi)側(cè)）（內(nèi)膜內(nèi)側(cè)）Qbc1caa3O2 NADHFP3（內(nèi)膜外側(cè)）（內(nèi)膜外側(cè)）Qbc1caa3O2 NADHFP4（外膜）（外膜）b5caa3O2五、五、植物中的呼吸

30、支路植物中的呼吸支路NADHNADH1/2O2琥珀酸NADHNADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2六、六、電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑：魚藤酮、安密妥、殺粉蝶素抗霉素ACN 、N3 CO、H2S 抑制部位抑制部位 1. 抑制抑制NADH Q 還原酶內(nèi)的電子傳遞還原酶內(nèi)的電子傳遞 抑制部位抑制部位 2. 抑制抑制CoQ c1 的所在傳遞的所在傳遞抑制部位抑制部位 3. 抑制細胞色素氧化酶中電子的傳遞抑制細胞色素氧化酶中電子的傳遞 氧化磷酸化氧化磷酸化 一、概念概念:伴隨生物氧化的放能反應(yīng)并由伴隨生物氧化的放能反應(yīng)并由ADP與與Pi合成合成ATP的過程。的過程。二、類型二、類型: 底

31、物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下將高能磷酸基底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下將高能磷酸基 團轉(zhuǎn)移給團轉(zhuǎn)移給ADP合成合成ATP的過程。的過程。CC O O HC H2OPCC O O HOC H3A T PA D PP E P丙酮酸丙酮酸激酶氧化磷酸化氧化磷酸化：與呼吸鏈電子傳遞相偶聯(lián)合成與呼吸鏈電子傳遞相偶聯(lián)合成ATP的過程的過程 , 又叫又叫偶聯(lián)磷酸化偶聯(lián)磷酸化 。 NADHO2呼吸鏈能量ADP + PiATP三、三、偶聯(lián)部位偶聯(lián)部位: 1. 電位電位：電位差在：電位差在0.158伏以上的部位可以偶聯(lián)產(chǎn)生伏以上的部位可以偶聯(lián)產(chǎn)生ATP0.53V0.22V0.32VNADH

32、QbcaO2 每消耗每消耗1原子氧同時消耗幾原子磷，即每傳遞原子氧同時消耗幾原子磷，即每傳遞1對電子可偶聯(lián)產(chǎn)生幾分子對電子可偶聯(lián)產(chǎn)生幾分子ATP 底物底物NADH琥珀酸琥珀酸CoQ 細胞色素細胞色素c P/O 3 2 2 1 ATP 2.5 1.5 1.5 12. P/O：NADH FMN CoQ Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt a.a3 O2ADP + PiATPADP + PiATPADP + PiATPIIIIIV琥珀酸FADII呼吸主鏈產(chǎn)能部位呼吸主鏈產(chǎn)能部位: 第一部位第一部位 NADH-CoQ 產(chǎn)生產(chǎn)生 1個個ATP 第二部位第二部位 CoQ- Cyt C 產(chǎn)生產(chǎn)生

33、0.5個個ATP 第三部位第三部位 Cyt C1 - O2 產(chǎn)生產(chǎn)生 1個個ATP 四、四、氧化磷酸化機理氧化磷酸化機理: 1.氧化磷酸化的細胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)氧化磷酸化的細胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)線粒體（mitochondria）外 膜（outer membrane）內(nèi) 膜（inner membrane）嵴（sterility）2. F1-F0因子：結(jié)構(gòu)膜bd g ebbd g eF1F0F1：3、3b、g、d、e 5種共9個亞基，b亞基b為ATP合成部位F0：多個疏水亞基，嵌入膜內(nèi)，為質(zhì)子通道和F1的基底。g亞基突出與F0結(jié)合ATPADP+Pigbbb內(nèi)膜bd g ebADP + PiATP2H+F1-F0的工

34、作機理的工作機理IIIIIIIVcQ內(nèi)膜內(nèi)外FMNbc1aa3F1F0 （1）化學(xué)偶聯(lián)假說（化學(xué)偶聯(lián)假說（Chemical coupling hypothesis ) （2）構(gòu)象偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說 (conformational coupling hypothesis ) （3） 化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說 （Chemical osmotic theory）（Mitchell 1961）1/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+電子傳遞泵出質(zhì)子，內(nèi)膜的內(nèi)外側(cè)形成質(zhì)子的濃度梯度和電位梯度，總稱為質(zhì)子電子傳遞泵出質(zhì)子，內(nèi)膜的內(nèi)外側(cè)形成質(zhì)子的濃度梯度和電位

35、梯度，總稱為質(zhì)子的的電化學(xué)梯度電化學(xué)梯度2H+2. 氧化磷酸化機理氧化磷酸化機理化學(xué)滲透學(xué)說機理化學(xué)滲透學(xué)說機理化化 學(xué)學(xué) 滲滲 透透 學(xué)學(xué) 說說 要要 點點1. 線粒體的內(nèi)膜是完整的封閉系統(tǒng)。線粒體的內(nèi)膜是完整的封閉系統(tǒng)。2. 電子傳遞過程中，釋放能量將質(zhì)子由內(nèi)膜內(nèi)側(cè)電子傳遞過程中，釋放能量將質(zhì)子由內(nèi)膜內(nèi)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)。泵到內(nèi)膜外側(cè)。3. 內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子電化學(xué)梯度，蘊藏了進行磷內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子電化學(xué)梯度，蘊藏了進行磷酸化的能量。酸化的能量。4. 質(zhì)子經(jīng)質(zhì)子經(jīng)F1F0復(fù)合體回到內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，推動復(fù)合體回到內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，推動ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP。化學(xué)滲透學(xué)說的試驗根據(jù)化學(xué)滲透學(xué)說的試驗根據(jù)

36、 氧化磷酸化重建試驗（只傳遞電子）（水解ATP）（電子傳遞、氧化磷酸化）（電子傳遞、氧化磷酸化）外膜內(nèi)膜MH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e O2O2-X- + IO-XHIOHH2OXIXIXI 頭部頭部ATP合酶合酶ADP +PiATP2H+X- +IO-H2O化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說設(shè)A、B為呼吸鏈鄰近的兩個電子傳遞體AH2 + B + I AI + BH2 （可進行下一輪傳遞）（可進行下一輪傳遞）AI + X XI + AXI +Pi XP +IXP + ADP ATP + X作用機理作用機理：將內(nèi)膜外側(cè)的質(zhì)

37、子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)，從而瓦解質(zhì)子的電化學(xué)梯度。將內(nèi)膜外側(cè)的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)，從而瓦解質(zhì)子的電化學(xué)梯度。解偶聯(lián)解偶聯(lián)(uncoupling) 使相互偶聯(lián)的電子傳遞的放能過程和使相互偶聯(lián)的電子傳遞的放能過程和ATP合成的需能過程合成的需能過程分離的現(xiàn)象稱為解偶聯(lián)。能夠解偶聯(lián)的物質(zhì)叫解偶聯(lián)劑分離的現(xiàn)象稱為解偶聯(lián)。能夠解偶聯(lián)的物質(zhì)叫解偶聯(lián)劑。 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑有多種物質(zhì)，如：解偶聯(lián)蛋白、有多種物質(zhì)，如：解偶聯(lián)蛋白、 2.4-二硝基苯酚、雙香豆素等二硝基苯酚、雙香豆素等 典型的解偶聯(lián)劑典型的解偶聯(lián)劑 2，4 二硝基苯酚作用機理。二硝基苯酚作用機理。外內(nèi)內(nèi)膜五、五、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑氧化磷酸化的解偶

38、聯(lián)劑(uncoupler)和抑制劑和抑制劑ONO2NO2OHNO2NO2H+OHNO2NO2ONO2NO2H+氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑(oxidative phosphorylation inhibitor) ：直接作用于直接作用于F1F0復(fù)合復(fù)合體，抑制體，抑制ATP合成的物質(zhì)合成的物質(zhì)。如寡霉素，其作用機理使堵塞了質(zhì)子通道。如寡霉素，其作用機理使堵塞了質(zhì)子通道。內(nèi)膜bd g ebb內(nèi)膜d g e2H+2H+2H+2H+2H+寡Qb c1 c a.a3內(nèi)膜外膜細胞質(zhì)六、六、氧化磷酸化物質(zhì)的運輸氧化磷酸化物質(zhì)的運輸III1. 外源外源NADH運輸運輸 （1）動物動物：穿梭系統(tǒng)穿梭系統(tǒng)：

39、磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭組成：兩種磷酸甘油脫氫酶組成：兩種磷酸甘油脫氫酶O2NADH + H+NAD+磷酸二羥丙酮-磷酸甘油磷酸二羥丙酮-磷酸甘油酶 II 嵌入蛋白功能功能：將磷酸甘油的電子傳給：將磷酸甘油的電子傳給CoQ，而使外源，而使外源NADH 的電子進入呼吸鏈。的電子進入呼吸鏈。外源外源NADH的電子被轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，這種系統(tǒng)中，的電子被轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，這種系統(tǒng)中，NADH可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生2個個ATP。酶 I ：可溶性酶，存在于細胞質(zhì)中-磷酸甘油磷酸二羥丙酮FADFADH2呼吸鏈C2內(nèi)膜外膜C1蘋果酸穿梭蘋果酸穿梭: 該系統(tǒng)由兩種蘋果酸脫氫酶（該系統(tǒng)由兩種蘋果酸脫氫酶（，存在于細胞質(zhì)和線粒

40、體），存在于細胞質(zhì)和線粒體），兩種谷草轉(zhuǎn)氨酶兩種谷草轉(zhuǎn)氨酶 （，存在于細胞質(zhì)和線粒體）和，存在于細胞質(zhì)和線粒體）和C1 、C2兩個載體組成兩個載體組成外源外源NADH被轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)，這種系統(tǒng)中，被轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)，這種系統(tǒng)中，NADH可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生3個個ATP。-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸蘋果酸草酰乙酸NADH + H+NAD+蘋果酸草酰乙酸NAD+NADH + H+酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋果酸蘋果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈呼吸鏈蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運天冬氨酸轉(zhuǎn)運NADH系統(tǒng)系統(tǒng)（2）植物植物 植物可以通過其呼吸支路將外源植物可以通

41、過其呼吸支路將外源NADH轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，當然這種方式轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，當然這種方式每個每個NADH 只能產(chǎn)生只能產(chǎn)生2個個ATPIIIIIVcQ1/2O2內(nèi)膜內(nèi)外外膜NADHFP3FP4b52. ATP、ADP和無機磷酸的運輸和無機磷酸的運輸（1）ATP、ADP 的交換運輸?shù)慕粨Q運輸 ATP、ADP 是由同一個載體叫是由同一個載體叫ATP/ADP 交換交換體，也叫腺苷酸載體的膜蛋白進行交換運輸?shù)?。這個載體為二聚體，其機理見體，也叫腺苷酸載體的膜蛋白進行交換運輸?shù)?。這個載體為二聚體，其機理見圖。圖。 屬于屬于主動運輸主動運輸（2）無機磷酸的運輸無機磷酸的運輸 由線粒體膜上的磷酸載體進行交換運輸，屬于

42、由線粒體膜上的磷酸載體進行交換運輸，屬于主動運輸主動運輸線粒體內(nèi)膜細胞質(zhì)H2PO4HO線粒體內(nèi)膜細胞質(zhì)ADP3ATP4ATP4ADP3ATP4 1. ATP能量的利用能量的利用 其主要方式是水解，以釋放其高的水解自由能，催化方其主要方式是水解，以釋放其高的水解自由能，催化方式有兩種：式有兩種：ATP + H2O ADP + Pi ATP 水解的高能磷酸基團往往使底物磷酸化，使有機分子提高能位或蛋白水解的高能磷酸基團往往使底物磷酸化，使有機分子提高能位或蛋白質(zhì)分子發(fā)生變構(gòu)。質(zhì)分子發(fā)生變構(gòu)。 ATP +H2O AMP + PPi 這種水解方式產(chǎn)生的這種水解方式產(chǎn)生的PPi 迅速被焦磷酸酶水解，因此

43、該過程消耗了迅速被焦磷酸酶水解，因此該過程消耗了ATP 的兩的兩個高能鍵，是高度供能的過程。個高能鍵，是高度供能的過程。 2. ATP能量的貯存能量的貯存七、七、ATP能量的利用與貯存能量的利用與貯存肌酸磷酸肌酸CNNHNH2CH2COOHCH3CNNHCH2COOHCH3NH PATP+ADP+八、八、細胞內(nèi)細胞內(nèi)ATP 含量的調(diào)節(jié)含量的調(diào)節(jié) 能荷（能荷（energy charge）：總腺苷酸中所負荷的總腺苷酸中所負荷的ATP 的比例的比例正常條件下，細胞中能荷在正常條件下，細胞中能荷在0.8左右。左右。ATP、ADP、AMP以及以及Pi 是一些調(diào)節(jié)酶的變構(gòu)劑，通過調(diào)節(jié)酶是一些調(diào)節(jié)酶的變構(gòu)劑，通過調(diào)節(jié)酶的活性來調(diào)節(jié)細胞的能荷。的活性來調(diào)節(jié)細胞的能荷。 其它末端氧化酶其它末端氧化酶一、一、多酚氧化酶系統(tǒng)多酚氧化酶系統(tǒng) 褐變、殺